光纤传感技术在岩土与地质工程中的应用效果研究

摘 要 近年来，为提升岩土与地质工程的施工质量，光纤传感技术被应用于混凝土结构健康、桩基工程、基坑、边坡、温度场、土体变形等工程监测工作中，并取得了较好的效果，同时也为工程布设、监测系统研发等提供了有力的技术支持，本文就该技术在岩土与地质工程中的应用效果进行了观察、分析，并对该技术在岩土与地质工程中的未来发展进行了展望。

关键词 分布式光纤传感技术；岩土工程；地质工程；研究进展

快速发展的社会经济使我的国基础工程迅速崛起，大量高速公路、地铁、隧道项目在各大城市如火如荼地建立起来，由此带来了对工程设施安全使用的更高要求。为了保证这些基础工程的安全性，相应的健康评估与安全监测是必不可少的，光纤传感技术正是在这一背景下，被广泛应用于岩土与地质工程中的。

20世纪末，光纤传感技术作为一种新型工程安全监测技术正式面市，与传统的监测技术和手段不同，该技术以光纤为传感介质和传输通道，使监测范围拓展到了空间上的连续作业。由于采用了具有强大功能的光纤材料，光纤传感技术可以在布入被测对象后与其快速变形协调，并达到一次测量即可获得整个光纤应变或温度的一维分布图，如该技术的光纤以网状分布于被测对象时，即可获得多维的应变、温度分布数据，同时还具有高灵敏度、抗电磁干扰、电绝缘性好、耐久性好等特点，因此可以对工程结构的受力变形分布情况进行快速、全面、有效的监测，光纤传感技术一经推出，就在岩土与地质工程中得到了广泛应用，尤其是在设施应力、应变、位移等监测中，细分出了包括光纤布喇格光栅技术FBG、拉曼光时域反射分析技术ROTDR、受激布里渊光时域散射分析技术BOTDA等在内的多种技术，为混凝土结构健康监测、桩基工程及基坑监测、边坡监测、土体变形监测以及工程布设和温度补偿方法方面做出较大贡献。

1 混凝土结构健康监测

在岩土与地质工程中，钢筋混凝土结构承受着建筑物的主要重量，而使钢筋混凝土结构具有如此大承受力的原因是其中的钢筋结构。当混凝土结构产生裂缝使钢筋暴露如外部环境，出现锈蚀等现象后，即可对整个混凝土结构产生破坏作用，因此针对混凝土结构的健康监测一直是相关监测中的重点。光纤传感技术在被应用于混凝土结构健康监测方面的时间并不长，根据其应用情况，在处理钢筋混凝土结构裂缝和锈蚀监测中仅仅只能在室内试验中进行，且对裂缝和锈蚀的识别存在较大缺陷，只能作定性评价，而不能做定量评价，在应用过程中还会因为钢筋锈蚀影响到光纤和钢筋的变形协调，因此在实际应用中还处于试验阶段，没有形成成熟的监测工艺[1]。

2 桩基工程及基坑监测

桩基工程在岩土与地质工程中起到承载上部结构工程的重要作用，桩基的强度出现问题，其承载能力就会受到影响，如出现压缩变形等现象，则会对工程上部结构的安全性构成威胁。长时间的实际应用发现，采用点式传感器等传统方式对桩基工程进行安全性监测虽然有一定的效果，但是无法全面监测和反映桩基的受力和变形情况，这就使得监测的效果大打折扣，对于工程安全性的保障不足。而光纤传感技术可以对桩身应变进行全面监测，因此其应用前景被业界人士一致看好。目前，光纤传感技术的BOTDR技术利用先进的光纤埋设方法，在钻孔灌注桩、PHC桩、预制桩的轴力分布、侧摩阻力分布和桩身损伤的监测识别中表现出了良好的效果，就该技术在实际应用中的数据处理方法来看，其监测面更广、监测效果更有效。在混凝土管桩的水平静载荷试验中，FBG传感技术的应用取得了良好效果，证实了相关技术在传感器埋设工艺方面优于传统方式，可达到90%以上的传感器存活率，且获取的数据在可靠性和精度方面都能够达到工程监测要求。在获取抗滑桩内力分布数据时，采用在抗滑桩上布置光纤传感器的方法，应用BOTDR监测技术，可以对抗滑桩的工作状态实现从桩体浇注完成到滑坡推力作用的整個过程的应变监测，从而体现出了光纤传感技术在对桩基受力和变形情况的跟踪监测中明显好于传统监测技术的优势。

在岩土与地质工程的施工过程中，最容易对工程自身稳定度及周边建筑物产生影响的施工环节就是基坑工程开挖，因此在施工过程中需要对基坑开挖的全过程进行严密监控，避免因操作不得当而使基坑施工质量下降。在对基坑的监测中深部土体的位移监测是重中之重，采用布里渊光时域反射计BOTDR 技术将传感光纤以特殊工艺放置于测斜管上并埋入土体中，通过实测传感光纤的应变分布实现对深部土体的实时监测，第一时间获取土体水平位移的数据。再将安装了分布式传感光纤的H型钢建成基坑工程围护结构，就可利用其远程实时分布式测量、温度自补偿等功能对排桩的变形情况进行监测。目前，BOTDR光纤传感技术已就在桩基工程及基坑监测中的传感器的安装和数据处理、温度补偿提出了详细的操作方法，在监测结果方面表现出了比FREW软件模拟分析更高的吻合度，但是在实际操作中还存在诸如传感光纤的布设、传感器的封装、运行期间的维护等难以解决的问题，这是相关技术需要攻克的难题[2]。

3 边坡监测

边坡监测是岩土与地质工程中预防因强降雨、水位变化、地震等因素引发的滑坡、泥石流等地质灾害对周边公路、住宅、水利设施等造成安全性影响的重要措施。在实际施工中，基于光纤传感技术的光纤传感监测系统在对边坡的长期监测中已具备了实时监测和有效预警的功能，但光纤传感BOTDR技术的监测效果会因传感器的分布工艺不同而受影响，比如将传感器埋入土工织布中对边坡形变稳定性进行监测就会存在光纤与土体的变形协调性不高问题，而采用在锚杆和框梁安装光纤直接埋入土体中的工艺，则会显现出更好的监测效果[3]。

4 土体变形监测

针对岩土与地质工程的土体变形监测一直是光纤传感技术难以攻克的难题。目前比较有效的方法是根据不同层位的失水压缩变形规律，将18个光纤传感器埋入第四系松散地层段中合理的立井井壁破坏监测层位，结合地层应变与水位变化的关系，以高精度的FBG传感技术对土体变形情况进行实时监测，已成功揭示了膨胀土失水致裂机理和膨胀土裂隙性特征[4]。

5 工程布设和温度补偿方法

光纤传感技术在应用于岩土与地质工程的安全监测时，为保证监测效果，需要结合工程实际情况确定科学的布设方法和温度补偿。在对灌注桩情况进行监测时，可在主筋侧面以一一对称的方式固定光纤，这样更便于对两组数据进行对比，同时也可更好的检测出加载时出现的偏压。另外，在铺设光纤时，应尽可能保证光纤挺直，并对接头处采取保护措施。保证钢筋与光纤的变形协调性的有效方法是利用特种胶水或接头固定光纤，并将裸露在外的光纤套上保护用的波纹管。针对预制桩的监测，需在桩身上用切割工具按设计方案和光纤的具体尺寸开槽，将光纤放入槽内定点固定，再用高强胶剂填充，使光纤得到保护。遇到上下桩对接的情况，应保证光纤也做好对接，同時加强对光纤的保护，并将多余的光纤包裹上特殊的保护层后打入其中。桩接头处和桩头外露的光纤应进行重点保护，以防止其因挤压、撞击或电焊火花的影响而失去监测功能。

6 光纤传感技术在岩土与地质工程中的应用前景分析

就目前光纤传感技术在岩土与地质工程中的应用情况来看，已取得了多项研究成果，并获得了较好的监测成绩。但其中还存在一些问题，如针对设备研发中光纤传感器的封装、研制、温度补偿等还需提高，同时加强设备的数据采集能力，是确保光纤传感技术未来健康发展的基础。另外，如何加强传感光纤与工程岩土体的协调变形、匹配和耦合，一直是制约该技术在岩土与地质工程中应用推广的重要障碍，需在未来的研究中加以重视。在实际的监测过程中，光纤传感技术在识别异常数据以及分析挖掘数据处理方法和手段方面还存在欠缺，需要进一步完善。这些光纤传感技术在岩土与地质工程中的应用技术问题，是相关研究人员需要继续努力的方向。

参考文献

[1] 杜柯.岩土与地质工程中分布式光纤传感技术研究进展[J].世界有色金属，2017，（01）：66，68.

[2] 吴军玲.光纤传感技术的应用进展[J].甘肃科技纵横，2017，46（07）：

7-10.

[3] 柴敬，张丁丁，李毅.光纤传感技术在岩土与地质工程中的应用研究进展[J].建筑科学与工程学报，2015，32（03）：28-37.

[4] 高磊，陈晖东，余湘娟，等.岩土与地质工程中分布式光纤传感技术研究进展[J].水利水运工程学报，2013，（02）：93-99.

作者简介

周裕强（1971-），男，汉族，重庆永川人， 本科学历，研究方向：矿山岩土。